尼古拉斯·布洛姆伯根（1920—2017）

江澤珍/編譯

尼古拉斯·布洛姆伯根（1920—2017）

江澤珍/編譯

尼古拉斯·布洛姆伯根（Nicolaas Bloembergen）是核磁共振、非線性光學(xué)、激光領(lǐng)域的先驅(qū)，任何一方面的成就都能為他贏得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他的研究也是磁共振成像的基石。他為人謙遜，常稱自己為“閃光的工程師”。

布洛姆伯根于2017年9月5日逝世于亞利桑那州圖森市，享年97歲。1920年，他出生于荷蘭的多德雷赫特，經(jīng)歷了殘酷的第二次世界大戰(zhàn)。他在荷蘭的烏得勒支大學(xué)學(xué)習(xí)物理學(xué)，之后由于納粹勒令禁止辦學(xué)而中斷學(xué)業(yè)。1946年1月，他和愛(ài)德華·珀賽爾（Edward Purcell）一起去哈佛大學(xué)讀碩士研究生。就在此行的5周前，珀賽爾與另一科學(xué)家共同發(fā)現(xiàn)了核磁共振——原子核可以在磁場(chǎng)內(nèi)吸收射頻電磁輻射。

之后的18個(gè)月里，布洛姆伯根進(jìn)行了高強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了核磁弛豫的物理現(xiàn)象，比如核磁共振是怎樣通過(guò)質(zhì)子的射頻反應(yīng)感受到水分子的移動(dòng)的。這18個(gè)月的實(shí)驗(yàn)成為布洛姆伯根博士論文的依據(jù)，同樣也成為新技術(shù)的實(shí)用指南，很快在圈內(nèi)就出現(xiàn)了幾百本的影印本。他的論文最后整理出版成了書籍《核磁弛豫》（Nuclear Magnetic Relaxation，斯普林格出版社，1948年），幾十年來(lái)銷量非常好。1951年他回到哈佛大學(xué)，擔(dān)任副教授一職。

在布洛姆伯根的論文研究中，他的第一個(gè)偉大的物理發(fā)現(xiàn)是動(dòng)態(tài)縮小的概念。這是個(gè)反直覺(jué)觀察，核自旋被阻礙的頻率越高，光譜線就會(huì)變得越鋒利越狹窄。這個(gè)概念被用來(lái)解釋光譜學(xué)各個(gè)方面、研究各領(lǐng)域和所有頻段的譜線形狀。布洛姆伯根在觀察水中質(zhì)子時(shí)發(fā)現(xiàn)了光譜線，之后被用于醫(yī)療的磁共振成像，讓醫(yī)生首次能看到身體里面的軟組織。他曾在20世紀(jì)80年代早期的一次周會(huì)上興奮地宣布：“醫(yī)療成像技術(shù)現(xiàn)在用我們的核磁共振了！”

在研究微波激射器的時(shí)候，布洛姆伯根發(fā)現(xiàn)了一種很實(shí)用的能產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方法。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)通常是一個(gè)較罕見(jiàn)的現(xiàn)象，即在高能量層面上具有的物理特質(zhì)比低能量層面上具有的特質(zhì)多的現(xiàn)象。它是激光的前提，布洛姆伯根認(rèn)為三級(jí)加壓就能產(chǎn)生大量激光。

1961年，布洛姆伯根解釋了足夠強(qiáng)度的光是如何改變與它相互作用的材料的性質(zhì)。例如，折射率成為光強(qiáng)度的一個(gè)函數(shù)，該現(xiàn)象現(xiàn)在被稱為非線性光學(xué)。1962—1964年，他的團(tuán)隊(duì)在《物理評(píng)論》雜志上發(fā)表了3篇長(zhǎng)論文，探究了這個(gè)概念的現(xiàn)象學(xué)和基本原理，其中還發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)相位匹配，在今天用于創(chuàng)造激光筆里的綠光。還有一個(gè)更基礎(chǔ)的概念是非線性磁化率，發(fā)光材料的光響應(yīng)。正常來(lái)說(shuō)，這個(gè)響應(yīng)取決于輸入的光線頻率。布洛姆伯根意識(shí)到非線性磁化率也決定了材料中自由能量的數(shù)量（自由能量是由輸入和輸出頻率決定的）。因此，在非線性磁化率中會(huì)有一個(gè)額外的頻率。

布洛姆伯根還發(fā)現(xiàn)很多看似不同的物理效應(yīng)（包括二階諧波的產(chǎn)生和電場(chǎng)內(nèi)折射率的改變）都有一個(gè)相同的物理過(guò)程。相似的，三階非線性光學(xué)效應(yīng)有很多，看起來(lái)都不同，但是開(kāi)始的過(guò)程都一樣。如今，互聯(lián)網(wǎng)交流、數(shù)據(jù)中心以及太平洋和大西洋下的光通信電線都需要依靠非線性效應(yīng)。1990年，布洛姆伯根從哈佛大學(xué)退休，在亞利桑那大學(xué)擔(dān)任客座科學(xué)家，2001年成為教授。

布洛姆伯根的成就來(lái)源于他對(duì)科學(xué)、對(duì)自己嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。對(duì)于物理，他從不自欺欺人，也從不走捷徑。他是一個(gè)理論學(xué)家，同時(shí)也是一位實(shí)驗(yàn)學(xué)家，深受學(xué)生的愛(ài)戴。對(duì)于他的科研成果能為社會(huì)所用，他感到非常興奮，這也是他最大的驕傲。

[資料來(lái)源：Nature][責(zé)任編輯：田 心]